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基于CAN总线的家庭控制器的设计与实现

2009年11月07日 09:30 次阅读

基于CAN总线的家庭控制器的设计与实现

 引言

  CAN(Controller Area Network)总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1Mbps,通信距离可达10km,CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于CAN总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,因而适合高干扰环境,并具有较远的传输距离。因此,CAN协议对于许多领域的分布式测控是很有吸引力的。目前CAN已成为ISO11898标准,其特性如下:

  (1)CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。

  (2)CAN协议遵循ISO/OSI模型,采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。

  (3)CAN 可以多主方式工作,本质上也是一种CSMA/CD方式,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息,而不分主从,节点之间有优先级之分,因而通信方式灵活;CAN采用非破坏性位仲裁技术,优先级发送,可以大大节省总线冲突促裁时间,在重负荷下表现出良好的性能;CAN可以点对点、一点对多点(成组)及全局广播等几种方式传送和接收数据。

  (4)CAN的直接通信距离最远可达10km(传输速度为5 Kbps);最高通信速率可达1Mbps(传输距离为40m)。

  (5)CAN上的节点数据实际可达110个。

  (6)CAN数据链路层采用短帧结构,每一帧为8个字节,易于纠错;CAN每帧信息都有CRC校验及其它检错措施,有效地降低了数据的错误率;CAN节点在错误严重的情况下,具有自动关闭的功能,使总线上其它节点不受影响。

  (7)信号调制解调方式采用NRZ编码/解码方式,并且采用插入填充位(位填充)技术。

  (8)数据位具有支配“0”(Dominant bit)和退让“1”(Recessive bit)两种逻辑值,采用时钟同步技术,具有硬件自同步和定时时间自动跟踪功能。

  基于CAN总线的家庭控制器总线设计方案

  在进入信息化时代的今天,人们对于居住环境中的安全性、舒适性要求已越来越高,建立住宅小区计算机管理局域网,实现小区综合管理的网络化势在必行。通过遍布于整个住宅区的家庭控制器和中央计算机系统,实现对住宅的智能化管理。

  图 1是基于CAN总线的总体结构示意图,系统采用支持CAN标准的总线型网络。中央计算机系统(上位机PC)通过CAN接口适配卡与CAN总线相连,进行数据交换。通过双绞线把中央计算机系统和家庭控制器(下位智能节点)挂接在一条总线上,构成低层通信网络。由于采用了CSMA/CD的信息传输控制技术,允许总线上各节点平等争用总线,从而可构成具有多主节点的冗余网络结构。

基于CAN总线的总体结构示意图

  在低层通信网络中,中央计算机系统和家庭控制器分别有自己的ID标志。由于采用CAN标准作为网络通信协议,各节点在网络中的地位相同,于是我们可以将中央计算机系统虚拟成主机,而家庭控制器则虚拟成从机,响应主机的要求。中央计算机系统负责对整个CAN总线系统进行监视管理,具有系统参数(如传输速率、节点地址等)设置、数据发送、数据请求、本机状态查询、节点状态查询、中断状态查询等功能。系统工作过程为上位机向下位节点(家庭控制器)发送命令,下位节点识别并执行相应命令。同时各下位节点也可按要求进行信息交换。

  在数据链路层中,规定了支持CAN协议的两种帧类型:数据帧和远程帧。数据帧用来发送数据,用于一个节点传送信息到其它任一或所有节点;远程帧用来“远程发送请求”,用于一个节点主动要求其它节点发送信息,两种帧的具体格式如图2所示。

帧的具体格式

  硬件电路设计

  家庭控制器硬件设计

  本系统是由许多智能家庭控制器通过CAN总线相连而组成的一个控制器局部网,因此,CAN总线的设计就显得极为重要。其中,CAN控制器的选取、CAN收发器以及抗干扰措施将成为设计的关键。

  ①CAN控制器的选取

  为了系统进一步扩展的需要,可选取支持CAN2.0B通信协议的SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司最新生产的既支持CAN2.0B又支持 CAN2.0A的CAN控制器,它与仅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件上和软件上完全兼容。

  ②CAN收发器

  PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器和物理总线间的接口,提供对总线的差动发送和接收能力。它与ISO11898标准完全兼容,有三种不同的工作方式即高速、斜率控制和待机,可根据实际情况选择。

 ③光电隔离

  为了进一步提高系统的抗干扰能力,在控制器SJA1000和收发器PCA82C250之间增加了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路,电源采用DC-DC变换器。

  硬件电路中使用PCA82C250是为了增大通信距离,提高系统的瞬间抗干扰能力,保护总线,降低射频干扰(RFI),实现热防护等。

  CAN器件与微处理器的硬件结构图如图3所示。

CAN器件与微处理器的硬件结构图

  CAN接口适配卡和CAN总线中继器

  CAN接口适配卡完成CAN-PC总线的通信。适配卡由单片机89C51、CAN控制器SJA100、CAN收发器89C250及其控制电路组成。

  由于CAN收发器的限制,在一个CAN总线网络中,最多只能有110个CAN节点,最多只能有110个CAN节点。利用中继器可对CAN总线进行扩展,不但可使CAN节点总数达到2032个,而且可使CAN通信距离成倍增加,同时也可以把两个不同速率的CAN网连接在一起,组成更复杂的CAN网络。

  中继器采用特定的控制逻辑控制一对CAN收发器82C250.CAN收发器背-背相接,连接两个物理上独立的CAN网,双向传输数据。从物理层上看,中继器实现CAN总线信号的透时中继。

  软件设计

  上位机软件

  采用Visual Basic 6.0开发软件。分两大功能模块:高层系统管理模块和低层通信模块。程序流程图如图4所示。

程序流程图

  家庭控制器(节点)软件

  实现与上位机及其它节点的信息交换。

  在软件设计中, 遵循模块化设计思想,采用结构化程序设计方案,使之具有良好的模块性、可修改性和可移值性。

  CAN总线系统的初始化设计是软件设计的关键,这一部分设计不好,系统将不可能正常工作。因此初始化设计是一个难点,又是一个重点。

  在初始化之前,应设置输出控制寄存器(OCR)的复位请求位为高,再设置其它寄存器。控制寄存器(CR)设定中断;命令寄存器(CMR)控制缓存器的接收状态;中断寄存器(IR)、状态寄存器(SR)查询SJA1000的工作状态;接收码寄存器(ACR)设定工作地址;接收屏蔽寄存器(AMR)设定工作形式,总线定时寄存器(BTR0、BTR1)设定工作频率、采样频率;输出控制寄存器(OCR)一般为正常输出方式,最后应使复位请求位从高变低,使CAN 控制器进入正常工作状态。因此,对CAN控制器进行初始化,实际上就是对ACR,AMR,BTR0,BTR1和OCR这些寄存器进行访问。

  成功地初始化SJA1000后,系统就可以应用它来传输报文。

  结语

  CAN总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视,并被公认为最有前途的总线之一。我们在家庭控制器系统中应用了这种总线技术,设计了硬件电路和软件,并得到实际应用。

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总线通讯系统中,每个节点的信号质量都直接影响了整个总线的通讯质量,所有保证每个节点都具备高度一致的信...

发表于 2015-10-21 16:59 1229次阅读
如何评测CAN波形抖动是否违规?

CAN总线布线规范

 所谓磨刀不误砍柴功,合理的总线布局布线等于成功的一半,那么总线布线时如何选取导线?如何选取布线拓扑...

发表于 2015-10-07 19:09 4086次阅读
CAN总线布线规范

如何进行CAN节点信号特征测试

  CAN总线设计规范对于CAN节点的差分电平位信号特征着严格的规定,如果节点的差分电平位信号特征不...

发表于 2015-10-07 19:00 2225次阅读
如何进行CAN节点信号特征测试

CAN总线技术在矿井安全生产监控系统中的应用

矿井安全生产监控系统是对煤矿井下的瓦斯、通风、排水等状况和各种机电设备工作状态进行监测和控制,并用...

发表于 2015-09-09 11:37 429次阅读
CAN总线技术在矿井安全生产监控系统中的应用

如何用手机实现CAN网络的监控?

  如今汽车已成为人类生活中最主要的交通工具,看着道路上那拥堵的情况,若你也已置身其中,那确实是一件...

发表于 2015-08-23 20:37 2037次阅读
如何用手机实现CAN网络的监控?

汽车电子电路设计图集锦 —电路图天天读(223)

随着汽车工业的发展,汽车上的电子控制系统数量呈指数增长,以ECU为核心的车载电子控制系统逐步取代了被...

发表于 2015-08-13 15:07 12145次阅读
汽车电子电路设计图集锦 —电路图天天读(223)

CAN总线与MSP430红外检测系统电路

本文介绍的是一种新的检测系统,选用红外CO传感器和MSP430单片机作为核心信号处理电路,结合数字滤...

发表于 2015-08-12 09:56 2028次阅读
CAN总线与MSP430红外检测系统电路

基于CAN总线智能建筑监控的通信协议设计

现代智能建筑监控系统广泛采用了现场总线技术。现场总线的种类目前有40多种,但适合智能建筑且在我国推...

发表于 2015-08-10 09:20 390次阅读
基于CAN总线智能建筑监控的通信协议设计

基于CAN总线的ECU在线编程技术

本文提出的基于CAN总线的ECU在线升级系统设计方案,切实可行,并已在Infineon XC2785...

发表于 2015-08-07 13:58 589次阅读
基于CAN总线的ECU在线编程技术

基于ARM7和CAN总线的电子送经卷取系统设计

本文利用性价比高的主控器ARM7-LPC2194、CAN接收器PCA82C250和TLP2631,设...

发表于 2015-08-02 00:18 465次阅读
基于ARM7和CAN总线的电子送经卷取系统设计

如何准确测量CAN节点的信号边沿参数

CAN通信为什么会出现通信故障?就目前国内设备来说,缺少强制执行的硬件标准,各厂家设备间没有一致的通...

发表于 2015-07-22 16:45 747次阅读
如何准确测量CAN节点的信号边沿参数

CAN FD,汽车电子下一个“风口”

中国经济已经进入“新常态”的发展阶段,专家预计中国汽车市场仍将以7%的增速蝉联全球汽车产销第一的位置...

发表于 2015-07-16 09:42 2051次阅读
CAN FD,汽车电子下一个“风口”

如何准确测量CAN节点的输入电压阈值

CAN总线设计规范对于CAN节点的输入电压阈值有着严格的规定,如果节点的输入电压阈值不符合规范,则在...

发表于 2015-07-09 10:54 1933次阅读
如何准确测量CAN节点的输入电压阈值

看整车厂如何实现信号电压幅值的一致性

CAN总线设计规范对于CAN节点的输出电压有着严格的规定,单个节点的输出电压如果不符合规范,则在现场...

发表于 2015-07-02 16:09 591次阅读
看整车厂如何实现信号电压幅值的一致性

解读CAN总线行车记录仪系统电路 —电路图天天读...

CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线,其主要原理是把车辆上相关控制器都联系起来,实现发动机控制...

发表于 2015-05-19 14:00 2432次阅读
解读CAN总线行车记录仪系统电路 —电路图天天读...

如何让电动大巴更可靠充电

CANScope分析仪是广州致远电子股份有限公司研发的一款综合性CAN总线开发与测试的专业工具,集海...

发表于 2015-05-08 13:45 895次阅读
如何让电动大巴更可靠充电

MCP2515多路CAN总线接口电路设计图

由于本设计采用PC /104总线扩展卡的方式来扩展多个RS232和RS485接口,没有多余的I/O片...

发表于 2015-03-09 16:19 2277次阅读
MCP2515多路CAN总线接口电路设计图

嵌入式CAN总线系统电路设计详解 —电路图天天读...

CAN总线即控制器局域网络,是现场总线之一,由德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的总线式...

发表于 2015-03-05 14:18 3905次阅读
嵌入式CAN总线系统电路设计详解 —电路图天天读...

双CAN总线与以太网监控电路设计指南 —电路图天...

结合CAN总线与以太网自身的优缺点,研究了监控系统基于双CAN总线与以太网的现场监控模块,该模块可安...

发表于 2015-01-21 14:58 943次阅读
双CAN总线与以太网监控电路设计指南 —电路图天...

CAN总线与以太网嵌入式网关电路设计攻略 —电路...

提出一种工业现场总线与以太网互联方法,介绍以太网与CAN 现场总线之间协议转换网关的设计与实现,采用...

发表于 2015-01-19 14:34 1141次阅读
CAN总线与以太网嵌入式网关电路设计攻略 —电路...

远程智能家电控制系统设计与实现

本文针对以上问题,提出了基于网络技术、CAN总线技术[如和ZigBee无线技术c43的控制系统设计,...

发表于 2015-01-15 18:10 6479次阅读
远程智能家电控制系统设计与实现

工业控制之伺服系统精选开发资料

伺服系统又称随动系统,是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。##接下来为大家介绍在工业中伺服...

发表于 2015-01-07 11:32 4170次阅读
工业控制之伺服系统精选开发资料

汽车CAN信号智能蓝牙无线测量系统电路设计

汽车工作过程中,对各系统的运行参数的实时测量可方便地实现对汽车运行状态的分析与故障诊断。用传统的有线...

发表于 2014-12-02 14:50 1282次阅读
汽车CAN信号智能蓝牙无线测量系统电路设计

嵌入式系统的CAN总线接口电路设计

CAN总线即控制器局域网络,是现场总线之一,由德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的总线式...

发表于 2014-11-07 11:48 1074次阅读
嵌入式系统的CAN总线接口电路设计

倒车雷达单元接口电路设计

设计中倒车雷达以PIC18F258单片机为控制核心,控制超声波发射接收电路、温度修正电路工作。 PI...

发表于 2014-11-06 11:36 1943次阅读
倒车雷达单元接口电路设计

基于CAN总线EPB驻车电流采集节点系统电路设计

电子驻车制动系统(EPB)指将行车过程中的临时性制动和停车后的长时性制动功能整合在一起,并且由电子控...

发表于 2014-10-15 15:58 725次阅读
基于CAN总线EPB驻车电流采集节点系统电路设计